(57)【要約】【課題】水素循環流量が不足することによって燃料電池が劣化することを防止する。【解決手段】コントローラ２６が、水素循環配管６内の水素循環流量を推定し、推定された水素循環流量に応じて燃料電池３の出力を制限する。これにより、水素循環流量が不足している状態で燃料電池３から過度の出力を取り出してしまうことにより、燃料電池３が劣化することを防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを燃料電池に循環させる燃料ガス循環手段と、
前記燃料ガス循環手段によって前記燃料電池に循環される燃料ガス中の水素流量を推定する水素循環流量推定手段と、
前記水素循環流量推定手段により推定された水素流量に応じて前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記水素循環流量推定手段は、前記燃料電池に循環される燃料ガス中の水素濃度を推定する水素濃度推定手段と、燃料電池に循環される燃料ガスの総流量を推定する循環総流量推定手段とを備え、推定された水素濃度と燃料ガスの総流量を用いて燃料電池に循環される燃料ガス中の水素流量を推定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記出力制限手段は、燃料電池に循環される燃料ガス中の水素濃度が所定範囲外である時に燃料電池の出力を制限することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス循環手段の循環ガス流量を制御する循環流量制御手段を備え、前記出力制限手段は循環流量制御手段によって前記燃料電池が必要とする循環率を満たす水素循環流量を確保可能な出力量まで燃料電池の出力を制限することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記出力制限手段は、燃料電池に循環される燃料ガス中の水素濃度が所定範囲以上である場合、水素濃度の減少に応じて出力制限量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項３乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記出力制限手段は、燃料電池に循環される燃料ガス中の水素濃度が所定範囲以下である場合、水素濃度の増加に応じて出力制限量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項３乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス循環手段が燃料電池に循環させる燃料ガス中の水素濃度を制御する水素濃度制御手段を備え、水素濃度制御手段は、前記水素濃度推定手段より推定された水素濃度が所定範囲以上である場合、燃料電池に循環させる燃料ガス中の水素濃度を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記水素濃度制御手段は、前記水素濃度推定手段より推定された水素濃度が所定範囲以下である場合、燃料電池に循環させる燃料ガス中の水素濃度を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項３乃至請求項８のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記出力制限手段は、前記水素濃度推定手段より推定された水素濃度が燃料電池から最大電力を取り出す際に必要となる水素循環流量を確保可能な水素濃度になるのに応じて、燃料電池の出力制限を解除することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項４乃至請求項９のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記循環流量制御手段は、前記燃料電池の出力が制限されている際、最大出力で作動することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の入口側における燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段を備え、当該燃料ガス圧力制御手段は、燃料電池の出力が制限されている際、燃料ガスの運転圧を所定圧上昇させることにより、水素循環流量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池から排出された燃料ガスを再び燃料電池に循環させる燃料ガス循環系を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な燃料電池システムでは、システムが停止している際、燃料電池の空気極側に存在する窒素等の不純物ガスが水素極側に透過するために、システムを起動する際、水素極側の水素濃度が相対的に低い状態になる。そして、このような状態で燃料電池を起動し、燃料電池から過度の出力を取り出した場合には、燃料電池が劣化することがある。このような背景から、従来の燃料電池システムは、システムを起動する際、水素極側の不純物ガス濃度が所定値以下になるまで燃料電池の出力を制限することにより、燃料電池が劣化することを防止するようにしている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００４−１７２０２６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、水素極から排出された水素を再び水素極に循環させる水素循環系を有する燃料電池システムについては、水素極側の不純物ガス濃度が所定値以下であるか否かに応じて出力制限を行った場合、水素極への水素循環流量が不足している状態で燃料電池から過度の出力を取り出してしまうことにより、燃料電池が劣化することがある。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、水素循環流量が不足することによって燃料電池が劣化することを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に循環される燃料ガス中の水素流量に応じて燃料電池の出力を制限する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に循環される燃料ガス中の水素流量に応じて燃料電池の出力を制限するので、水素循環流量が不足することによって燃料電池が劣化することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について詳しく説明する。
【実施例１】
【０００８】
始めに、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。
【０００９】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、図１に示すように、アノード（水素極）１及びカソード（空気極）２にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池３を備える。なお、この実施形態では、燃料電池３は、アノード１とカソード２により固体高分子膜を挟持する固体高分子型燃料電池であるとするが、固体酸化物型燃料電池等のその他の形態の燃料電池であってもよい。また、燃料電池３を複数積層して燃料電池スタックを構成するようにしてもよい。また、図示しないが、水素や空気を加湿して燃料電池３に供給する加湿装置や、燃料電池３を冷却するための冷却系を燃料電池システムに設けるようにしてもよい。また、アノード１及びカソード２における電気化学反応及び燃料電池３全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。
【００１０】
〔アノード〕      Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔カソード〕      1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ      …（２）
〔燃料電池全体〕  Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ          …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素圧力調整弁（調圧弁）４を備え、高圧水素タンクや水素吸蔵材料により構成された水素容器に貯蔵されている水素の圧力を水素圧力調整弁４によって所定圧力まで減圧した後、水素供給配管５を介して燃料電池３のアノード１に水素を供給する。また、アノード１から排出された低圧力ガス（アノードオフガス）は水素循環配管６及び循環ポンプ７を介してアノード１の上流側へ圧送される。水素循環配管６及び循環ポンプ７を設け、アノードオフガスを再びアノード１に循環させることにより、アノード１で未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。
【００１１】
なお、水素循環配管６及び循環ポンプ７を介してアノード１に戻る水素の循環経路には、カソード２からリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは、過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環を妨げる。このため、アノード１の出口側には、水素排出配管８とこれを開閉するパージ弁９が設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、パージ弁９を短時間開き、カソード２から排出された空気（カソードオフガス）を系外に排出する空気排出配管１３を介してアノードオフガスを系外へ排出するパージを行う。これにより、アノード１を含む水素の循環経路内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。
【００１２】
また、循環ポンプの動作形式には、体積式，スクロール式と呼ばれる形式や、速度式，過流式と呼ばれる形式がある。体積式，スクロール式と呼ばれる形式の循環ポンプは、循環ガス密度によって循環性能が大きく変化しない特性を有するが、大流量のガスを循環させるためには体格を大きくしなければならない。一方、速度式，過流式と呼ばれる形式の循環ポンプは、循環ガス密度によって循環性能が変化する、すなわち、循環ガス密度が小さい時に循環ガス流量が減り、逆に循環ガス密度が大きい時に循環ガス流量が大きくなる特性を有する。また、速度式，過流式と呼ばれる形式の循環ポンプは体格が小さくても大流量のガスを循環させることができる。そこで、この実施形態では、車両への搭載容易性から循環ポンプ７として速度式，過流式と呼ばれる形式の循環ポンプを用いる。なお、車両への搭載容易性を考慮する必要がない場合には、体積式，スクロール式と呼ばれる形式の循環ポンプ等のその他の形式の循環ポンプを用いてもよいことは勿論である。
【００１３】
〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、空気を圧縮して吐出するコンプレッサ１０を備え、コンプレッサ１０から吐出された空気は、空気供給配管１１を介して燃料電池３のカソード２に供給される。カソード２で未使用の空気は、空気圧力調整弁（調圧弁）１２により圧力調整された後、カソードオフガスとして空気排出配管１３から系外に排出される。
【００１４】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、アノードオフガスの圧力を検出する圧力センサ（Ｐ）１４と、アノードオフガスの温度を検出する温度センサ（Ｔ）１５と、カソードオフガスの圧力を検出する圧力センサ（Ｐ）１６と、循環ポンプ７の回転数を検出する回転数センサ（Ｒ）１７と、循環ポンプ７を回転駆動する循環ポンプモータ（Ｍ）１８の回転速度を制御する循環ポンプインバータ（ＩＮＶ）１９と、循環ポンプインバータ１９に供給される電流値を検出する電流センサ（Ｉ）２０と、コンプレッサ１０を回転駆動するコンプレッサモータ（Ｍ）２１の回転速度を制御するコンプレッサインバータ（ＩＮＶ）２２と、燃料電池３から電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータ２３と、燃料電池３の出力電圧を検出する電圧センサ（Ｖ）２４と、燃料電池３の出力電流（Ｉ）を検出する電流センサ２５と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ２６とを備える。なお、この実施形態では、コントローラ２６は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェイスを備えたマイクロプロセッサにより構成され、ＣＰＵは、プログラムＲＯＭ内部に記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、後述する水素濃度推定手段２７及び水素循環流量推定手段２８の機能を実現する。また、プログラムＲＯＭ内には後述する出力制限テーブル２９（図５参照）が記憶されている。
【００１５】
そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ２６が以下に示す出力制御処理を実行することにより、アノード１への水素循環流量が不足することによって燃料電池３が劣化することを防止する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ２６の動作について説明する。
【００１６】
〔出力制御処理〕
図２に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この出力制御処理は、システム起動後、所定制御周期（例えば２０［ｍＳ］）毎に繰り返し実行されるものとする。
【００１７】
ステップＳ１の処理では、コントローラ２６が、回転数センサ１７及び電流センサ２０の検出値を参照して、循環ポンプ７の回転数と循環ポンプインバータ１９に供給される電流値を検出すると共に、アクセル開度等のパラメータによって決定される燃料電池３に対する要求出力値を読み込む。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ２の処理に進む。
【００１８】
ステップＳ２の処理では、コントローラ２６が、ステップＳ１の処理により検出された電流値に予め記憶している循環ポンプ７の駆動電圧値を乗算することにより循環ポンプ７の消費電力を算出した後、水素濃度推定手段２７として機能することにより、図３に示すような水素循環配管６内の水素濃度（循環ガス密度）と循環ポンプ７の消費電力の関係を循環ポンプ７の回転数毎に表したマップを参照して、ステップＳ１の処理により検出された循環ポンプ７の回転数と算出された消費電力に対応する水素濃度を抽出する。
【００１９】
また、コントローラ２６は、水素循環流量推定手段２８として機能することにより、図４に示すような水素循環配管６内の水素濃度（循環ガス密度）と水素循環流量の関係を循環ポンプ７の回転数毎に表したマップを参照して、ステップＳ１の処理により検出された循環ポンプ７の回転数と抽出された水素濃度に対応する水素循環流量を算出する。これにより、このステップＳ２の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ３の処理に進む。
【００２０】
ここで、既に述べたように、速度式，過流式と呼ばれる形式の循環ポンプは、循環ガス密度が小さくなる程循環ガス流量が減り、逆に循環ガス密度が大きくなる程循環ガス流量が大きくなる特性を有する。従って、水素循環配管６内の総循環ガス流量は、循環ポンプ７の回転数が一定の状態で循環ガス密度が大きくなる程、換言すれば、水素濃度が減少する程、増加する。また、総循環ガス流量に占める水素循環流量の割合は、水素濃度が減少する程、減少する。このため、水素循環配管６内の水素濃度と水素循環流量の関係は図４に示すように上に凸の曲線により表される。
【００２１】
また、図４に示す最大水素循環流量ＭＱは、燃料電池３から最大電力を取り出す際に、性能を達成する上で必要になる水素循環量から決めることができる。そして、循環ポンプの回転数が最大（８０００［ｒｐｍ］）である時の水素循環流量−水素濃度曲線において、水素循環流量が最大水素循環流量ＭＱとなる水素濃度の値を高い方から順に水素濃度ＨＬ，ＬＬと定義すると、水素濃度（水素濃度下限値）ＬＬから水素濃度（水素濃度上限値）ＨＬの濃度範囲（所定範囲）が最大電力を取り出しても水素循環流量を十分に確保することができる水素濃度領域となる。
【００２２】
そこで、コントローラ２６は、水素濃度が水素濃度ＬＬから水素濃度ＨＬの濃度範囲外である際に燃料電池の出力を制限するように、水素循環配管６内の水素濃度と最大水素循環流量で循環率を満たすことができる出力までの制限量の関係を示すマップを出力制限テーブル２９として記憶しておく。具体的には、コントローラ２６は、図５に示すように、最大取出電力に対する出力制限値の比（出力制限率）と水素循環配管６内の水素濃度との関係を示すマップを出力制限テーブル２９として記憶しておく。そして、コントローラ２６は、後述するように出力制限テーブル２９を参照して燃料電池３の出力を制限する。なお、図５（ａ）に示す出力制限テーブル２９は、循環ポンプ７の回転数が最大である時に、水素循環流量が循環ガス密度に対して最低になる循環ガス流量でも循環率を確保可能な出力状態で一定に制限するものであり、このテーブルによれば、最低水素循環流量でも燃料電池を劣化から保護することができる。また、図５（ｂ）に示す出力制限テーブル２９は、その時の水素濃度に対応する最大水素循環流量が循環率を満たす出力までの制限率を示し、このテーブルによれば、燃料電池３を劣化から保護しつつ発電性能を過剰に制限することを回避することができる。
【００２３】
なお、上記ステップＳ２の処理において、コントローラ２６は、予め記憶している循環ポンプ７の駆動電圧値を電流値に乗算することにより循環ポンプ７の消費電力を算出したが、循環ポンプインバータ１９の出力電圧を検出する電圧センサを設け、この電圧センサの検出値に電流値を乗算することにより循環ポンプ７の消費電力をより精度高く算出するようにしてもよい。また、図３に示すように、水素循環配管６内の水素濃度と循環ポンプ７の消費電力の関係は循環ポンプ７の回転数に応じて異なるので、コントローラ２６は、消費電力を計算する度毎に循環ポンプ７の回転数を所定回転数に維持して消費電力を計算してもよいし、循環ポンプ７の回転数毎に予め複数のマップを作成しておき、消費電力を計算する際には、その時の循環ポンプ７の回転数に最も近い回転数のマップを参照して消費電力を推定するようにしてもよい。また、コントローラ２６は、圧力センサ１４及び温度センサ１５を介してアノードオフガスの圧力及び温度を検出し、アノードオフガスの圧力及び温度に従って水素循環配管６内の水素濃度を補正することにより水素濃度を精度高く推定するようにしてもよい。
【００２４】
ステップＳ３の処理では、コントローラ２６が、ステップＳ２の処理により算出された水素濃度に対応する出力制限率を出力制限テーブル２９から読み出し、読み出された出力制限率に従って出力制限量を設定する。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ４の処理に進む。
【００２５】
ステップＳ４の処理では、コントローラ２６が、ステップＳ３の処理において設定された出力制限量がステップＳ１の処理において読み込まれた要求出力値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、出力制限量が要求出力値以上である場合、コントローラ２６は、ステップＳ５の処理として通常制御へ移行した後、一連の出力制御処理を終了する。一方、出力制限量が要求出力値以上でない場合には、コントローラ２６は、燃料電池３の出力を制限し、出力制御処理をステップＳ６の処理に進める。
【００２６】
ステップＳ６の処理では、コントローラ２６が、ステップＳ２の処理により算出された水素濃度が水素濃度上限値ＨＬ以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素濃度が水素濃度上限値ＨＬ以下でない場合、コントローラ２６は、水素濃度を低下させるべく、出力制御処理をステップＳ１３の処理に進める。一方、水素濃度が水素濃度上限値ＨＬ以下である場合には、コントローラ２６は出力制御処理をステップＳ７の処理に進める。
【００２７】
ステップＳ７の処理では、コントローラ２６が、ステップＳ２の処理により算出された水素濃度が水素濃度下限値ＬＬ以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素濃度が水素濃度下限値ＬＬ以上である場合、コントローラ２６は、水素循環流量が要求循環流量に達していないと判断し、ステップＳ８の処理として循環ポンプ７の回転数を増大させた後、一連の出力制御処理を終了する。一方、水素濃度が水素濃度下限値ＬＬ以上でない場合、コントローラ２６は、水素濃度を増加させるべく、出力制御処理をステップＳ９の処理に進める。
【００２８】
ステップＳ９の処理では、コントローラ２６が、出力制限量を最小にするべく、循環ポンプ７の回転数を最大回転数に制御する。これにより、このステップＳ９の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ１０の処理に進む。
【００２９】
ステップＳ１０の処理では、コントローラ２６が、パージ弁９を開くことによりアノードオフガスを系外に排出可能であるか否かを判別する。なお、この判別処理は、アノードオフガスを希釈するカソードオフガスが所定量あるか否かを判別したり、現在の車速がマフラーがアノードオフガスを十分希釈可能な所定車速以上であるか否かを判別することにより行うことができる。また、アノードオフガスを希釈する希釈ファンを有する場合には、希釈ファンの駆動タイミングによって判別するようにしてもよい。
【００３０】
そして、判別の結果、アノードオフガスを排出可能である場合、コントローラ２６は、ステップＳ１１の処理としてパージ弁９を開くことによりアノードオフガスを系外に排出した後、一連の出力制御処理を終了する。一方、アノードオフガスを排出可能でない場合には、コントローラ２６は、ステップＳ１２の処理として水素圧力調整弁４を開いて水素圧を上昇させた後、一連の出力制御処理を終了する。
【００３１】
ステップＳ１３の処理では、コントローラ２６が、出力制限量を最小にするべく、循環ポンプ７の回転数を最大回転数に制御する。これにより、このステップＳ１３の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ１４の処理に進む。
【００３２】
ステップＳ１４の処理では、コントローラ２６が、水素濃度を低下させるべく、パージ弁９を閉じることにより、カソード２側からアノード１側に透過してくるガスをアノード１側に蓄積させる。これにより、このステップＳ１４の処理は完了し、一連の出力制御処理は終了する。
【００３３】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２６が、水素循環配管６内の水素循環流量を推定し、推定された水素循環流量に応じて燃料電池３の出力を制限するので、水素循環流量が不足している状態で燃料電池３から過度の出力を取り出してしまうことにより、燃料電池３が劣化することを防止できる。
【００３４】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、燃料電池３が必要とする循環率を確保可能な水素循環流量の範囲を水素濃度により規定し、コントローラ２６は、水素循環配管６内の水素濃度が所定範囲外である時に燃料電池３の出力を制限するので、水素循環流量が不足している状態で燃料電池３から過度の出力を取り出してしまうことにより、燃料電池３が劣化することを防止できる。
【００３５】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２６は、燃料電池３が必要とする水素循環流量を確保可能な出力量まで燃料電池３の出力を制限するので、循環率を満たさない範囲では出力制限を行って燃料電池３を保護し、循環率を満たす範囲では出力制限をかけないで燃料電池３の発電性能を満足することができる。
【００３６】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２６は、水素循環配管６内の水素濃度が所定範囲以上であるために燃料電池３の出力を制限している場合、水素循環配管６内の水素濃度の減少に応じて出力制限量を減少させるので、出力制限量を最小限に抑え、燃料電池３の保護と発電性能を同時に満足させることができる。
【００３７】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２６は、水素循環配管６内の水素濃度が所定範囲以下であるために燃料電池３の出力を制限している場合、水素循環配管６内の水素濃度の増加に応じて出力制限量を減少させるので、出力制限量を最小限に抑え、燃料電池３の保護と発電性能を同時に満足させることができる。
【００３８】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２６は、水素循環配管６内の水素濃度が所定範囲以上である場合、水素循環配管６内の水素濃度を減少させるので、水素循環配管６内の水素濃度を所定範囲内に速やかに抑えることができる。
【００３９】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２６は、水素循環配管６内の水素濃度が所定範囲以下である場合、水素循環配管６内の水素濃度を増加させるので、水素循環配管６内の水素濃度を所定範囲内に速やかに抑えることができる。
【００４０】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２６は、水素循環配管６内の水素濃度が所定範囲内になるのに応じて、燃料電池３の出力制限を解除するので、燃料電池３の発電性能を余計に抑制することを防止できる。
【００４１】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、燃料電池３の出力が制限されている際、循環ポンプ７は最大回転数で作動するので、その時可能な最大流量でガスを循環させることができる。
【００４２】
また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、燃料電池３の出力が制限されている際、水素の圧力を所定圧上昇させるので、圧力上昇分だけガス密度が高まり、水素循環流量を高めることができる。
【実施例２】
【００４３】
次に、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。
【００４４】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、図６に示すような構成を有し、以下に示す点が上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成と異なる。すなわち、この燃料電池システムでは、電流センサ２０及び水素濃度推定手段２７はなく、アノード１の上流側及び下流側に水素濃度を検出する水素濃度センサ（Ｃ）３１，３２を備える。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ２６が以下に示す出力制御処理を実行することにより、アノード１への水素循環流量が不足することによって燃料電池３が劣化することを防止する。以下、図７に示すフローチャートを参照して、出力制御処理を実行する際のコントローラ２６の動作について説明する。なお、図７に示すステップＳ２３乃至ステップＳ３４の処理は、図２に示すステップＳ３乃至ステップＳ１４の処理と同じ内容であるので、以下では、ステップＳ２１，Ｓ２２の処理についてのみ説明する。
【００４５】
〔出力制御処理〕
図７に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、出力制御処理はステップＳ２１の処理に進む。なお、この出力制御処理は、システム起動後、所定制御周期（例えば２０［ｍＳ］）毎に繰り返し実行されるものとする。
【００４６】
ステップＳ２１の処理では、コントローラ２６が、回転数センサ１７，電流センサ２５，及び水素濃度センサ３１，３２の検出値を参照して、循環ポンプ７の回転数，燃料電池３からの取出電流値，及びアノード１の上流側と下流側の水素濃度を検出すると共に、燃料電池３に対する要求出力値を読み込む。これにより、このステップＳ２１の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ２２の処理に進む。
【００４７】
ステップＳ２２の処理では、コントローラ２６が、ステップＳ１の処理により検出した循環ポンプ７の回転数，燃料電池３からの取出電流値，及びアノード１の上流側と下流側の水素濃度から水素循環流量を算出する。具体的には、アノード１に供給されるガスの総流量Ｑａ［ＮＬ／ｍｉｎ］は水素圧力調整弁４を介して供給される供給ガス流量Ｑｓ［ＮＬ／ｍｉｎ］と循環ガス流量Ｑｒ［ＮＬ／ｍｉｎ］によって以下の数式１のように表される。
【数１】
2006269281.tif 000003
【００４８】
また、水素濃度センサ３２及び水素濃度センサ３１はそれぞれ、循環ガス流量Ｑｒ［ＮＬ／ｍｉｎ］中の水素濃度Ｘｒ［％］、及び供給ガス流量と循環ガス流量の混合ガス中の水素濃度Ｘａ［％］を測定する。また、供給ガス流量Ｑｓ［ＮＬ／ｍｉｎ］中の水素濃度Ｘｓは、純水素であれば１００［％］、改質ガス由来の水素であれば保証濃度（例えば９７％）として予め与えることができる。また、供給ガス流量Ｑｓ［ＮＬ／ｍｉｎ］は、その時の発電で消費される水素消費流量Ｑｃ［ＮＬ／ｍｉｎ］とクロスオーバーによってアノード１側からカソード２側に透過する水素透過流量Ｑｔ［ＮＬ／ｍｉｎ］の和によって表すことができる。なお、この供給ガス流量Ｑｓ［ＮＬ／ｍｉｎ］には、水素配管や燃料電池３から系外に排出される漏れ流量も含まれるが、正常動作時には漏れ流量を考慮する必要性は少ないので、以下では無視する。
【００４９】
また、水素消費流量Ｑｃ［ＮＬ／ｍｉｎ］は以下の数式２により表される。なお、数式２中、Ｖｍは０［℃］，１０１．３［ｋＰａ］の時のモル体積（２２．４１３［ＮＬ／ｍｏｌ］）、９６４８６はファラデー係数［Ｃ／ｍｏｌ］、６０は時間単位変換係数［ｓｅｃ／ｍｉｎ］、０．５は１電子あたりの反応水素分子数、ＣＮは燃料電池３（セル）の枚数を示す。
【数２】
2006269281.tif 000004
【００５０】
また、水素透過流量Ｑｔ［ＮＬ／ｍｉｎ］は以下の数式３により表される。なお、数式３中、αは単位面積，単位時間，単位水素分圧あたりの膜の水素透過係数［ＮＬ／（ｃｍ２＊ｍｉｎ＊ｋＰａ）］、ＡＡは電極面積［ｃｍ２］、Ｐｈはアノード１とカソード２の水素分圧差［ｋＰａ］を示す。従って、コントローラ２６は、数式２，３により算出された水素消費流量Ｑｃ［ＮＬ／ｍｉｎ］と水素透過流量Ｑｔ［ＮＬ／ｍｉｎ］を以下の数式４に代入することにより、供給ガス流量Ｑｓ［ＮＬ／ｍｉｎ］を算出することができる。
【数３】
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【数４】
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【００５１】
また、供給ガス流量Ｑｓ［ＮＬ／ｍｉｎ］中の水素流量はＸｓＱｓ、循環ガス流量Ｑｒ［ＮＬ／ｍｉｎ］中の水素流量はＸｒＱｒと表されるので、アノード１に供給されるガス中の水素流量ＸａＱａは以下の数式５のように表される。そして、数式５に数式１，４を代入することにより、数式５は数式６のように変形されるので、循環ガス流量Ｑｒ［ＮＬ／ｍｉｎ］は以下の数式７のように表される。従って、コントローラ２６は、水素濃度センサ３１，３２により検出された水素濃度と供給ガス流量Ｑｓ［ＮＬ／ｍｉｎ］を数式７に代入することにより、水素循環流量Ｑｒを算出することができる。これにより、このステップＳ２２の処理は完了し、出力制御処理はステップＳ２３の処理に進む。
【数５】
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【数６】
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【数７】
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【００５２】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２６は、アノード１の上流側及び下流側の水素濃度と総循環流量を推定し、水素濃度と総循環流量の積によって水素循環流量を推定し、水素循環流量が循環率を確保可能な範囲外では燃料電池３の出力を制限するので、アノード１への水素循環流量が不足することによって燃料電池３が劣化することを防止できる。
【００５３】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記第２の実施形態となる燃料電池システムにおいて、コントローラ２６は、水素濃度センサ３２により検出された水素濃度と図４に示すマップを参照して水素循環流量を算出するようにしてもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態となる出力制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３】循環ポンプの回転数毎の水素循環配管内の水素濃度と循環ポンプの消費電力の関係を示す図である。
【図４】循環ポンプの回転数毎の水素循環配管内の水素濃度と水素循環流量の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態となる出力制限テーブルの構成を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第２の実施形態となる出力制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００５５】
１：アノード
２：カソード
３：燃料電池
４：水素圧力調整弁
５：水素供給配管
６：水素循環配管
７：循環ポンプ
８：水素排出配管
９：パージ弁
１４，１６：圧力センサ
１５：温度センサ
１７：回転数センサ
２０，２５：電流センサ
２６：コントローラ
２７：水素濃度推定手段
２８：水素循環流量推定手段
２９：出力制限テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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